Стандартные порты ввода/вывода

Различные устройства ввода, вывода, хранения информации и другие перифе­рийные устройства могут и подключаются через устройства сопряжения или адаптеры, реализующие различные интерфейсы. Последовательный интерфейс предполагает передачу данных последовательно бит за битом. Параллельный ин­терфейс позволяет передавать несколько битов данных одновременно. В современных компьютерах многие подобные устройства стали стандартными уст­ройствами, интегрированными на материнской плате.

Стандартные последовательный и параллельный интерфейсы называются порта­ми ввода/вывода.

Параллельный порт чаще используется для подключения принтера. Современные стандарты параллельных интерфейсов поддерживают скорость передачи данных на уровне 2-5 Мбит/с. Подключаемые устройства должны располагаться в непос­редственной близости от компьютера.

Последовательный порт используется для многих устройств, таких как мышь, внешний модем и др. Скорость обмена данными не превышает 9600 бит/с, но дан­ные могут передаваться на значительное расстояние. При специальном программировании регистров можно достигнуть скорости обмена до 115200 бит/с.

Инфракрасный порт используется для подключения устройств к портативным компьютерам, а также для подключения принтеров. Стандарты инфракрасного порта основываются на стандарте последовательного порта. Это беспроводное соединение, основанное на инфракрасном излучении, обеспечивает скорость пе­редачи данных до 4 Мбит/с.

Порт USB устанавливается на каждый современный компьютер. Он должен заменить последовательный и параллельный порты. Порт USB реализует после­довательный интерфейс. Через этот порт можно подключить до 128 устройств. Скорость передачи данных составляет 12 Мбит/с, Интерфейс USB поддержива­ет автоопределение и автоконфигурацию подключаемого устройства и возмож­ность подключения без перезагрузки компьютера. На рис. 3.19 изображены разъемы USB на клавиатуре.

Интерфейс FireWare используется для подключения высокоскоростных уст­ройств, для которых недостаточна скорость порта USB. Интерфейс поддержива­ет синхронную и асинхронную передачу данных со скоростью до 400 Мбит/с. Скорость обмена данными может меняться для разных устройств. На один порт могут подключаться до 63 устройств. Стандарт поддерживает автоопределение устройств и «горячее» подключение. Интерфейс может обрабатывать многие операции ввода/вывода, не занимая ресурсов центрального микропроцессора.

Устройства хранения информации.

Такие устройства называются накопителями. В основе их работы лежат разные принципы (в основном это магнитные или оптические устройства), но использу­ются они для одной цели — для хранения информации для последующего много­кратного использования. Этот вид памяти, в отличие от оперативной памяти, яв­ляется энергонезависимым. Объем носителей, используемых в этих устройствах, значительно превосходит объем оперативной памяти. Стоимость храпения еди­ницы информации существенно ниже. Накопители бывают внешними (собствен­ный корпус и источник питания) и внутренними (встраиваются в корпус компь­ютера), со сменными и несменными носителями, с носителями разной формы (диски, ленты). Накопители имеют разные характеристики: максимально воз­можный объем хранимой информации, время доступа. Немаловажное значение имеет стоимость хранения информации. Для интеграции накопителей в компью­тер разработаны специальные интерфейсы.

Интерфейсы накопителей.

В настоящее время преобладают два интерфейса: IDE и SCSI. Большое распрост­ранение получает интерфейс USB.

SCSI

Интерфейс SCSI (Small Computer System Interface) был разработан еще в 1970 году. К шине можно подключить до восьми устройств, включая основной контроллер SCSI. Контроллер SCSI имеет собственную BIOS, которая управляет шиной SCSI, освобождая центральный процессор. Шина SCSI — 8-разрядная, тактовая частота — 5 МГц, имеет восемь линий данных, линию четности, девять управляю­щих линий. Максимальная скорость передачи данных не превышает 5 Мбнт/с. Интерфейс SCSI имеет большую чувствительность к качеству изготовления ка­белей. Интерфейс SCSI-2 (Fast SCSI) — развитие стандарта, в котором тактовая частота и скорость передачи данных увеличены в два раза. Добавлены и стандартизованы команды доступа к периферийным устройствам.

В стандарт SCSI-2 добавлена спецификация Wide (широкая), в которой количе­ство информационных линий увеличено до 24, К шине можно подключать как 5-разрядные, так и 16-разрядные устройства.

В модификации Ultra SCSI тактовая частота — 20 МГц (другие названия SCSI-3, SCSI 20). Добавлены команды для некоторых графических устройств. Ultra Wide SCSI обеспечивает 16-разрядную передачу данных со скоростью до 40 Мбит/с.

В Ultra I Wide SCSI тактовая частота увеличена до 40 МГц, скорость передачи дан­ных — 40 Мбит/с. Существует Wide - спецификация этого стандарта, по которой поддерживается до 15 устройств.

IDE

Интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics) был предложен в 1988 году как недорогая альтернатива используемым в то время интерфейсам. Отличительной чертой IDE является реализация функций контроллера в электронной части уст­ройства. Второе название интерфейса — АТА (AT Attachment). В качестве подклю­чаемых устройств могли быть только накопители на несъемных жестких дисках. Интерфейс поддерживает PIO (Programmed Input/Output), в соответствии с которым обмен данными осуществляется через центральный процессор. Второй способ обмена — режим DMA (Direct Memory Access), когда обмен данными с оперативной памятью осуществляется непосредственно, без участия центрально­го процессора, IDE одновременно может поддерживать до двух устройств, режи­мы PIO Mode 1 и 2, DMA. Максимальная скорость передачи данных 8,3 Мбит/с.

Развитием стандарта стал интерфейс EIDE (Enhanced IDE), который поддержи­вает устройства объемом свыше 504 Мбайт, и не только устройства с жесткими дисками (такая спецификация интерфейса называется ATAPI — АТА Packed Interface), Возможно подключение до четырех устройств. В системе можно уста­навливать несколько контроллеров EIDE. Интерфейс поддерживает режимы PIO Mode 3 и 4, DMA Single Word Mode 2 и Multi Word Mode 1 и 2. Существен­ное увеличение пропускной способности шины дает поддержка режима Bus Mastering DMA. Максимальная скорость передачи данных — до 16,7 Мбит/с.

Интерфейс АТА-3 разработан для повышения надежности передачи данных и повышения ее производительности. Стандарт поддерживает технологию пре­дупреждения отказов жестких дисков SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology).

Интерфейс Ultra АТА поддерживает протокол UltraDMA, по которому за один такт передается в два раза больше информации, чем в предыдущих версиях.

Выпускаются накопители, использующие, кроме рассмотренных стандартов, стан­дарты USB, PCMCIA, FireWire и др.

Накопители на лентах.

Накопители на магнитных лентах называются стримерами. Стримеры исполь­зуются, когда необходимо записать большие объемы информации при создании архивных копий. Современные стримеры используют специальные кассеты (картриджи) с магнитной лентой. Стримеры, как правило, имеют собственные сред­ства сжатия данных. Стримеры имеют разные стандарты, определяющие интер­фейс с компьютером, формат магнитной ленты, методы кодирования и сжатия.

QUC-cmpiiMepbt (Quarter Inch Cartridge) имеют толщину картриджа 1/4". Емкость картриджей различна — от 250 Мбайт до 1,3 Гбайт. Travan-стримеры используют магнитные ленты шириной 0,315". Емкость картриджей — от 400 Мбайт до 4 Гбайт, В DAT-стримерах (Digital Audio Tape) используется технология спирального ска­нирования, позволяющая увеличить плотность записи. Емкость картриджа дос­тигает 8 Гбайт. DLT-стримеры (Digital Linear Tape) имеют высокую надежность в эксплуатации, позволяют записывать информацию с высокой скоростью. Емкость картриджа до 35 Гбайт.

Накопители на дисках.

Отличительной особенностью таких устройств является использование в качестве носителей информации круглых дисков разного диаметра, отличающихся форм-фактором. Выпускаются носители с форм-фактором (размером) 1,8", 2,5", 3,5", 5,25".

Накопители на жестких несъемных дисках

Эти накопители называются винчестерами. Они представляют собой систему, состоящую из механического привода, головок чтения/записи, нескольких носи­телей и контроллера, обеспечивающего работу всего устройства и передачу дан­ных.

Магнитная головка (несколько магнитных головок в специальном позиционере) является одной из наиболее важных частей устройства. Конструкция магнитных головок постоянно совершенствуется. Различают следующие типы: монолитные, изготовленные из ферритов, композиционные, состоящие из нескольких видов мате­риалов (стекло, сплавы, керамика), тонкопленочные, изготавливаемые методом фо­толитографии, магниторезистивные, состоящие из двух — для записи и для чтения.

Носитель информации состоит из нескольких дисков, каждый из которых име­ет две рабочих поверхности. При записи информации используются магнит­ные свойства слоя, нанесенного на поверхность. Диски закреплены на шпинделе

двигателя. Скорость вращения дисков может быть 3600, 4500, 5400, 7200,10000, 12 000 об/мин. С увеличением скорости вращения дисков увеличивается произ­водительность всей системы.

Геометрические размеры устройства определяются форм-фактором и размером по высоте: Full Height (FH) — полная высота 3,25", Half-Height (HH) — половин­ная высота или Low-Profile (LP) — низкий профиль I.

Каждая поверхность любого из дисков разбивается на отдельные дорожки. Дорож­ки на одной вертикали на всех поверхностях образуют цилиндр. Дорожка разби­вается на секторы. Доступ к необходимой информации осуществляется по номе­ру дорожки номеру цилиндра, номеру сектора. Плотность записи на внешних секторах меньше, чем на внутренних секторах. В современных винчестерах форм-фактора 3,5", 5,25" диск разбивают на зоны, в пределах которых количество секторов постоянно. Чем зона дальше от центра, тем больше она содержит секторов. Емкость одного современного диска составляет 20 – 120 Гбайт.

Среди основных параметров, определяющих производительность винчестера, можно выделить следующие: среднее время доступа, которое определяется време­нем позиционирования магнитных головок на дорожке и временем ожидания сектора, и скорость обмена данными, которая в основном зависит от используемо­го интерфейса.